TW201345750A - 金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法 - Google Patents

金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，尤指一種能製造兼具輕質化與低成本之輪圈盤的製造方法，其包含有一製備輪圈盤、一製備碳纖維布、一碳纖維片裁切、一置入補強孔及一模內熱壓等步驟，使輪圈盤上形成有複數補強孔，並於補強孔內置入預先形成之碳纖維片，使碳纖維片於輪圈盤之該等補強孔內形成一體狀之碳纖維體，藉此，讓本發明所製成之金屬輪圈盤可利用碳纖維體大幅減輕重量，而達到省油之目的，具有節能減碳之效，且更兼具低成本之效，能有效普及於各式車輛中，大幅提升其經濟效益。

Description

金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法
本發明隸屬一種金屬輪圈盤之製備技術，具體而言係指一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，藉以能兼具輕質化與低成本之效。
按，由於碳纖維複合材料具有高強度、散熱快、回復性與彈性佳之特性，同時碳纖維複合材料更具有重量輕之效，近年來碳纖維複合材料技術的開發越來越成熟，所應用的範圍也越來越廣泛，如輪圈、車架、車板等，其能大幅減輕車體的重量，而能達到省油之效，但其製造成本高，無形間提高了碳纖維產品的價格，使其難以被廣泛的普及化；而習用之汽車輪圈也開始採用碳纖維複合材料來製造，但輪圈之輪圈盤因構成型態的因素，為了提高其產生效率與良率，現有輪圈盤仍以金屬材質【如鋁合金、不銹鋼等】模注而成，然在強調材質輕量化之前提下，上述金屬材質之輪圈盤實無法滿足輕量化之要求，而如採用碳纖維複合材料來製造輪圈盤，則又存在有成本過高的問題，造成其價格居高不下的狀況。
換言之，現有汽車輪圈之輪圈盤無法同時兼具低成本與輕質化的功效，造成金屬輪圈盤存在有耗油、而碳纖維輪圈盤存在有價格高及無法普及等問題，無法滿足實際使用的需求，有進一步改良之必要。
有鑑於此，本發明人乃針對前述現有金屬輪圈盤在製造中所面臨的問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗積極尋求解決之道，經不斷努力之研究與試作，終於成功的開發出一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，藉以解決現有輪圈盤因無法兼具低成本與輕質化所造成的不便與困擾。
因此，本發明之主要目的在提供一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，藉以能大幅減輕輪圈盤的重量，而達到省油之目的，使其具有節能減碳之效，且更兼具低成本之效，能被有效的普及，大幅提升其經濟效益。
為此，本發明主要係透過下列的技術手段，來具體實現本發明的各項目的與效能：其係於一金屬材質製之輪圈盤上結合有複數之碳纖維體，該製造方法之步驟至少包含有：一製備輪圈盤之步驟，預先形成有一金屬材質之輪圈盤，該輪圈盤內具有複數放射狀輪肋，且輪圈盤或該等輪肋上形成有至少一供結合碳纖維體之補強孔；一製備碳纖維片之步驟，將碳纖維編織成一碳纖維布，且將碳纖維布含浸於樹脂槽中，該碳纖維布並使其中徑向紗束形成不同角度；一碳纖維片裁切之步驟，將該碳纖維布利用裁剪技術裁切成預定對應輪圈盤補強孔形狀之片狀碳纖維布，進一步由複數不同角度之碳纖維布逐層堆疊、且經加熱加壓成一碳纖維片；一模內熱壓之步驟，將該補強孔含有多層碳纖維片之輪圈盤置於對應外形的模具內，並利用加熱、加壓之技術，對多層數、多角度之碳纖維片進行加熱及加壓，使該等相堆疊之碳纖維片完全結合成一體狀之碳纖維體，最後完成具碳纖維體之輪圈盤的製作。
藉此，透過本發明前述技術手段的展現，使得本發明製造而成之金屬輪圈盤可利用碳纖維體來減輕重量，如此可達到省油之目的，而具有節能減碳之效，同時兼具降低成本之效，使其能被普及應用於現有輪圈中，從而使本發明之金屬輪圈盤在「輕量化、節能減碳、低成本及高強度」等方面較現有者更具功效增進。
為使　貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明如后，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。
本發明係一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，隨附圖例揭示本發明的具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之具體實施例的設計與需求而進行變化。
而關於本發明之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，則請參看第一圖所示，其包含有一製備輪圈盤(S11)、一製備碳纖維布(S12)、一碳纖維片裁切(S13)、一置入補強孔(S14)及一模內熱壓(S15)等步驟，而於一金屬材質製之輪圈盤(50)上形成有複數一體狀之碳纖維體(60)；首先，進行製備輪圈盤(S11)之步驟，請配合參看第二、三及四圖所示，依現有技術技術預先形成有一輪圈盤(50)【該輪圈盤(50)也可以一體成型於輪圈(5)上】，該輪圈盤(50)內具有複數放射狀輪肋(51)，且輪圈盤(50)或該等輪肋(51)上形成有至少一補強孔(55)，該等補強孔(55)可供容設對應之一體狀碳纖維體(60)，又該等補強孔(55)可形成對應所設位置之形狀，如輪肋狀或環圈狀，再者該等補強孔(55)可為貫穿狀或未貫穿之凹槽狀，另補強孔(55)內緣壁面分別形成有至少一道凸緣(551)【如第三A圖所示】或至少一道凹緣(552)【如第四A圖所示】或至少其中之一，使碳纖維體(60)可穩固結合於補強孔(55)內【如第三B圖與第四B圖所示】；接著，進行製備碳纖維布(S12)之步驟，請配合參看第五A～五DB圖所示，碳纖維布(100)係指已經含浸樹樹後之預浸料的布片材，其係將碳纖維編織成每股紗束成單徑向之碳纖維布(100)【如第五A圖所示】，該碳纖維布(100)並可利用UD或編織裁切形成不同角度，如90度狀之直立碳纖維布(100)【如第五A圖所示】、45度狀之碳纖維布(100A)【如第五B圖所示】、135度狀之碳纖維布(100B)【如第五C圖所示】或0度狀之水平碳纖維布(100C)【如第五D圖所示】。又其中碳纖維係指如碳纖維【Carbon Fiber】、玻璃強化纖維【Glass Fiber】、聚酯纖維【Polyester】或芳香族聚醯胺類纖維【Kevlar】等複合材料，該等碳纖維布(100)可為經向呈紗束、而緯向以細小紗束連結交織，其中經向紗束與緯向紗束比例約為9：1；且將碳纖維布(100)含浸於樹脂槽中，使樹脂可完全填充於碳纖維布(100)表面與內部縫隙，其中樹脂含量為總重量之22%～40%，而該樹脂係選自【但不侷限於】熱塑性或熱固性樹脂，如環亞樹脂【EPOXY】、PU樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物【Acrylonitrile-Butadiene-Styrene，ABS】、聚苯乙烯【Polystyrene，PS】、聚碳酸酯【Polycarbonate，PC】、聚乙烯【Polyethylene，PE】、丙烯腈-苯乙烯共聚物【Acrylonitrile-Styrene，AS】、聚甲基丙烯酸甲酯【Polymethylmethacrylate，PMMA】、聚對苯二甲酸乙二醇酯【Polyethylene Terephthalate，PET】、聚醯胺【Polyamide，PA】、聚對苯二甲酸乙丁二醇酯【Polybothlene Terephthalate，PBT】、聚苯醚醚酮【Polyether Ether Ketone，PEEK】以及聚醯胺醯【Polyetherimide，PEI】的至少其中之一；之後，如第五A～五B及六圖所示，進行碳纖維片裁切(S13)之步驟，將該等呈不同角度的碳纖維布(100、100A、100B、100C)分別利用裁剪技術裁切成預定對應輪圈盤(50)補強孔(55)之片狀碳纖維布(100、100A、100B、100C)【如第六圖所示】，使該等碳纖維布(100、100A、100B、100C)可呈環圈狀或輪肋狀；且如第六圖所示，進一步由複數不同角度之碳纖維布(100、100A、100B、100C)逐層堆疊、且經加熱加壓成一具特定形狀與厚度之碳纖維片(61、62、63)，使碳纖維片(61、62、63)呈多角度、多層數之設計，可提高其強度；緊接著，進行置入補強孔(S14)之步驟，在完成對應補強孔(55)之碳纖維片(61、62、63)後，如第七圖所示，將前述片狀之碳纖維片(61、62、63)逐層置設於輪圈盤(50)之對應補強孔(55)內，碳纖維片(61、62、63)的大小並配合補強孔(55)之凸緣(551)【如第三B圖所示】或凹緣(552)【如第四B圖所示】的大小與形狀，使碳纖維片(61、62、63)熔合後能於側壁面產生凹凸狀，以結合於輪圈盤(50)之各補強孔(55)內；最後，進行模內熱壓(S15)之步驟，如第七、八圖所示，將該含有碳纖維片(61、62、63)之輪圈盤(50)置於對應外形的模具內【如第七圖所示】，並利用加熱、加壓之技術，對前述由複數多層數、多角度之碳纖維片(61、62、63)進行加熱及加壓，其加熱溫度為120度至260度、持續30分鐘至60分鐘，讓碳纖維片(61、62、63)可完全結合成一體狀之碳纖維體(60)【如第八圖所示】，最後完成具碳纖維體(60)之輪圈盤(50)的製作，使本創作之輪圈盤(50)可應用於一輪圈(5)上【如第九圖所示】。
透過前述的設計，由於金屬輪圈盤(10)上利用補強孔(55)結合有複數碳纖維體(60)，且該碳纖維體(60)係透過多層次的碳纖維片(61、62、63)逐層堆疊熔合而成，而由於碳纖維片(61、62、63)係由多角度之碳纖維布(100、100A、100B、100C)而成，其具有一定的延展性與強度。使得本發明製造而成之金屬輪圈盤(50)可利用碳纖維體(60)來減輕重量，以達到省油之目的，而具有節能減碳之效，同時兼具降低成本之效，使其能被普及應用於現有輪圈中，從而使本發明之金屬輪圈盤在「輕量化、節能減碳、低成本及高強度」等方面更具功效增進，以提高產品的附加價值，並增加其經濟效益。
藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之新型創作，除了有效解決習式者所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合新型專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請新型專利。
(S11)．．．製備輪圈盤
(S12)．．．製備碳纖維布
(S13)．．．碳纖維片裁切
(S14)．．．置入補強孔
(S15)．．．模內熱壓
(50)．．．輪圈盤
(51)．．．輪肋
(55)．．．補強孔
(551)．．．凸緣
(552)．．．凹緣
(60)．．．碳纖維體
(61)．．．碳纖維片
(62)．．．碳纖維片
(63)．．．碳纖維片
(100)．．．碳纖維布
(5)．．．輪圈
第一圖：為本發明金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法的流程示意圖。
第二圖：為本發明之金屬輪圈盤具碳纖維體的簡要架構示意圖。
第三圖：為本發明之金屬輪圈盤中具凸緣的補強孔簡要架構示意圖，其中(A)為補強孔之狀態；(B)為置入碳纖維片之狀態。
第四圖：為本發明之金屬輪圈盤中具凹緣的補強孔簡要架構示意圖，其中(A)為補強孔之狀態；(B)為置入碳纖維片之狀態。
第五A～五D圖：為本發明之碳纖維布形成不同角度及裁切之簡要示意圖。
第六圖：為本發明之碳纖維布疊合成碳纖維片的構成示意圖。
第七圖：為本發明具碳纖維片之輪圈盤置入模具內之簡要示意圖。
第八圖：為本發明具碳纖維體之輪圈盤置入模具內熱壓成型之簡要示意圖。
第九圖：為應用本發明具碳纖維體之金屬輪圈盤的輪圈外觀示意圖。
(S11)．．．製備輪圈盤
(S12)．．．製備碳纖維布
(S13)．．．碳纖維片裁切
(S14)．．．置入補強孔
(S15)．．．模內熱壓

Claims (10)

  1. 一種金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其係於一金屬材質製之輪圈盤上結合有複數之碳纖維體，該製造方法之步驟至少包含有：一製備輪圈盤之步驟，預先形成有一金屬材質之輪圈盤，該輪圈盤內具有複數放射狀輪肋，且輪圈盤或該等輪肋上形成有至少一供結合碳纖維體之補強孔；一製備碳纖維片之步驟，將碳纖維編織成一碳纖維布，且將碳纖維布含浸於樹脂槽中，該碳纖維布並使其中徑向紗束形成不同角度；一碳纖維片裁切之步驟，將該碳纖維布利用裁剪技術裁切成預定對應輪圈盤補強孔形狀之片狀碳纖維布，進一步由複數不同角度之碳纖維布逐層堆疊、且經加熱加壓成一碳纖維片；一置入補強孔之步驟，將該等碳纖維片逐層置設於輪圈盤之對應補強孔內；一模內熱壓之步驟，將該補強孔含有多層碳纖維片之輪圈盤置於對應外形的模具內，並利用加熱、加壓之技術，對多層數、多角度之碳纖維片進行加熱及加壓，使該等相堆疊之碳纖維片完全結合成一體狀之碳纖維體，最後完成具碳纖維體之輪圈盤的製作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備輪圈盤之步驟中所形成之補強孔可選自貫穿狀或未貫穿之凹槽狀。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備輪圈盤之步驟中所形成之補強孔內緣壁面分別形成有至少一道凸緣或至少一道凹緣或至少其中之一，使碳纖維體可穩固結合於補強孔內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備碳纖維片之步驟中的碳纖維係選自碳纖維【Carbon Fiber】、玻璃強化纖維【Glass Fiber】、聚酯纖維【Polyester】或芳香族聚醯胺類纖維【Kevlar】之複合材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備碳纖維片之步驟中係使碳纖維布可為經向呈紗束、而緯向以細小紗束連結交織，經向紗束與緯向紗束比例約為9：1。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備碳纖維片之步驟中所含浸的樹脂係選自環亞樹脂【EPOXY】、PU樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙丁二醇酯、聚苯醚醚酮或聚醯胺醯的至少其中之一。
  7. 如申請專利範圍第1或6項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備碳纖維片之步驟中樹脂的含量為總重量之22%～40%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該製備碳纖維片之步驟中堆疊形成碳纖維片之碳纖維布可分別呈正45度、負45度、90度及0度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該模內熱壓之步驟中加熱溫度為120度至260度、持續30分鐘至60分鐘。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之金屬輪圈盤結合碳纖維補強之製造方法，其中該輪圈盤可一體成型於一輪圈上。
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